Mở đầu cảm biến và đo lường

CẢM BIẾN VÀ KỸ
THUẬT ĐO LƯỜNG
Y SINH
(Bài mở đầu)

Viện Vật lý Y Sinh học


GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC




Mục đích
Yêu cầu
Nội dung và phương pháp

Viện Vật lý Y Sinh học


BÀI 1

KHÁI NIÊÊM VỀ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG YSINH HỌC VÀ VIÊÊC HIÊÊU CHỈNH SAI SỐ
TRONG PHÉP ĐO

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi
dùng trong Y-Sinh học


Định nghĩa cảm biến: Cảm biến (sensor) là các công cụ thu nhận các tín hiệu,
các đại lượng cần nghiên cứu và biến đổi chúng thành các tín hiệu có thể đo
được hoặc dùng để điều khiển các thiết bị



Ví dụ về cảm biến trong tự nhiên
Tất cả các sinh vật sống có chứa các cảm biến sinh học với các chức năng
tương tự như của các thiết bị cơ khí. Đa số đây là những tế bào đặc biệt nhạy
cảm với:
• Các tác nhân vật lý của môi trường bên ngoài như ánh sáng, chuyển động,
nhiệt độ, từ trường, trọng lực, độ ẩm, rung động, áp lực, điện trường, âm
thanh...
• Các tác nhân Vật lý của môi trường bên trong như sức căng, chuyển động
của các cơ quan, và vị trí của các thành phần phụ (proprioception).
• Môi trường phân tử, bao gồm các độc tố, chất dinh dưỡng, và pheromones
• Các tín hiệu bên trong phân tử như kích thích tố, dẫn truyền thần kinh…
• Sự khác nhau giữa các protein của các sinh vật và của môi trường hoặc
những sinh vật khác

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi
dùng trong Y-Sinh học (Tiếp theo)


Ví dụ về cảm biến trong các thiết bị
- Trong các thiết bị đo lường

- Trong các thiết bị điều khiển

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng
trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng
trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

Đối tượng được đo:
+ Bên trong cơ thể
+ Trên bề mặt
+ Phát ra từ cơ thể
+ Mẫu mô được lấy ra khỏi cơ thể
-

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng
trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

Cảm biến: biến đổi một dạng năng lượng
sang tín hiệu điện.
+ Đặc điểm: chỉ cảm ứng với dạng năng lượng

đang hiện hữu trong đối tượng được đo,
không có tác dụng với tất cả các dạng khác.
-

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng
trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

Xử lý tín hiệu:
+ Khuếch đại, lọc tín hiệu
+ Đưa tín hiệu ra bộ hiển thị
-

Viện Vật lý Y Sinh học


Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng
trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

Hiển thị:
+ Ở dạng số hay hình ảnh để con người nhận
biết được.
-

Viện Vật lý Y Sinh học


Phân loại các cảm biến dùng trong Kỹ thuật YSinh

Phân loại phải dựa trên
tiêu chí nhất định.
Môt số ví dụ về cách phân
loại
 Phân loại theo nguyên tắc
biến đổi đối tượng cần
đo:


Dạng cảm biến
Vâât ly
Cơ
Nhiêât
Điêân
Quang
Hóa học
Khi
Điêân hóa
Sinh học

Viện Vật lý Y Sinh học


Phân loại các cảm biến dùng trong Kỹ
thuật Y-Sinh
Phân loại theo độ tiếp xúc của cảm biến:
Không tiếp xúc
Noncontacting (noninvasive)
Tiếp xúc trên da
Skin surface (contacting)

Đưa vào trong
Indwelling (xâm lấn tối
thiểu - minimally invasive)
Đưa sâu vào trong Implantable (xâm lấn - invasive)
 Phân loại dựa trên bản chất của tín hiệu điện thu
được:
Chủ động
Thụ động


Viện Vật lý Y Sinh học


Phân loại các cảm biến dùng trong Kỹ
thuật Y-Sinh


Các căn cứ để chọn cách phân loại trong chương
trình:
- Phương pháp tiếp cận chung cùng các môn cơ sở
khác
- Thuận tiện cho việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động
của các dạng cảm biến
Phân loại trên cơ sở vật lý
- Cơ
- Nhiệt
- Điện
- Quang
- Các loại cảm biến khác
Viện Vật lý Y Sinh học

Các chế độ hoạt động của cảm biến
-

Chế độ trực tiếp – gián tiếp
Đo ngắt quãng hoặc liên tục
Chế độ tương tự và số hóa
Chế độ thời gian thực và thời gian trễ

Viện Vật lý Y Sinh học


Các đặc tính của cảm biến
•
•
-

-

Chức năng chuyển đổi :
Biểu thị mối quan hệ giữa tín hiệu vật lý đầu
vào và tín hiệu điện đầu ra.
Được biểu hiện qua đồ thị giữa các tín hiệu
Độ nhạy
Xác định bằng tỷ lệ giữa độ lớn của tín hiệu
điện đầu ra trên độ lớn của tín hiệu vật lý đầu
vào
Độ nhạy cao nếu thay đổi nhỏ của tín hiệu
vào đưa ra thay đổi lớn của tín hiệu ra

Viện Vật lý Y Sinh học


Các đặc tính của cảm biến
•
-

-

Khoảng đo:
Phạm vi của các tín hiệu vật lý đầu vào mà
cảm biến có thể nhận biết và chuyển thành
tín hiệu điện.
Tín hiệu bên ngoài phạm vi này cho sai số
lớn.
Thường được xác định bởi nhà cung cấp
trong bảng số liệu.

Viện Vật lý Y Sinh học


Các đặc tính của cảm biến
•
-

-

Độ chính xác (sai số):
Độ lệch lớn nhất có thể có giữa số đo thực tế
và số đo lý tưởng cho tín hiệu ra của cảm

biến.
Độ chính xác chỉ chất lượng cảm biến, sai số
là chỉ số định lượng.

Viện Vật lý Y Sinh học


Các đặc tính của cảm biến
•
•
-

Độ trễ:
Biên độ lỗi khi giá trị đầu ra không quay trở
lại cùng một giá trị theo giá trị đầu vào.
Tính đúng đắn:
Thể hiện ở con số biểu diễn khác nhau kết
quả đo.

Viện Vật lý Y Sinh học


Các đặc tính của cảm biến
•

Độ tuyến tính:

Viện Vật lý Y Sinh học

Các đặc tính của cảm biến
Độ nhiễu:
- Các cảm biến đều có nhiễu kèm theo tín hiệu đầu ra.
- Một số trường hợp, giới hạn hiệu quả hoạt động
của cảm biến -> phải có phương pháp làm giảm
nhiễu.
+ sử dụng thành phần chỉ nhạy với tín hiệu cần đo.
+ hồi tiếp âm
+ lọc tín hiệu.
+ đưa thêm tín hiệu bù để triệt tiêu nhiễu.
•

Viện Vật lý Y Sinh học


Các đặc tính của cảm biến
•
•
•

Độ phân giải:
Khoảng thay đổi nhỏ nhất của tín hiệu mà cảm
biến có thể ghi nhận được.
Đặc trưng cho độ ổn định của phép đo.
Băng thông
Tần số cắt trên và cắt dưới xác định thời gian phân
rã của cảm biến
Bảng số liệu cảm biến (datasheet)

Viện Vật lý Y Sinh học

HiêÊu chỉnh và các chuẩn




Hiệu chỉnh đơn giản : Có hai phương pháp hiệu chỉnh đơn
giản, đó là:
= Hiệu chỉnh trực tiếp
= Hiệu chỉnh so sánh
Cân chỉnh nhiều bước
Sự dao động của nhiều tham số trong quá trình đo. Một số các
tình huống cụ thể đòi hỏi cân chỉnh nhiều bước là:
- Nếu các tham số của cảm biến là các biến số thay đổi, chúng
ta xác định các kết quả như là một hàm của tần số;
- Trong một số trường hợp, đặc biệt là đối với nhiều cảm biến
cơ khí và nhiệt, khi các nhà sản xuất không cung cấp cho
hướng dẫn sử dụng, cân chỉnh thường được thực hiện theo
chỉ dẫn trên trang web sau khi cài đặt.

Viện Vật lý Y Sinh học


Phát hiêÊn và hiêÊu chỉnh các lỗi trong quá
trình đo
Sai số hệ thống
- Bị trôi điểm 0 do cân chỉnh hay do cảm biến bị lão
hóa;
- Không sử dụng đúng cách: không ổn định vị trí đo,

không ổn định nhiệt độ môi trường, hoặc bản thân
cảm biến làm ảnh hưởng đến chế độ đo;
- Không đủ dữ liệu cho quá trình chuyển đổi: ví dụ
sai số trong quá trình tuyến tính hóa hoặc sai số
phát sinh trong khi khuếch đại tín hiệu.
Các lỗi hệ thống nếu được xác định có thể loại trừ
bằng các phương pháp khác nhau như: cân chỉnh,
bù trừ.


Viện Vật lý Y Sinh học


Phát hiêÊn và hiêÊu chỉnh các lỗi trong quá
trình đo
Sai số ngẫu nhiên : một số ví dụ các trường hợp thường gặp
nhất:
- Dao động của các nguồn điện cung cấp cho thiết bị đo lường
hoặc cho thiết bị ổn định điều kiện đo (chẳng hạn như biến
động của dòng điện trong cầu đo điện trở);
- Tín hiệu điện từ xuất hiện trong môi trường và được khuếch
đại bởi cảm biến và thiết bị đo;
- Biến động nhiệt, bao gồm cả nhiệt đối lưu trong thiết bị;
- Biến động của các tham số ảnh hưởng đến giá trị đo, v.v.
Sai số ngẫu nhiên được xác định bằng phương pháp thống kê


Viện Vật lý Y Sinh học